KR980011764A - 전면 고밀도 플라즈마 증착 제공 방법 및 그 장치 - Google Patents

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케니 킹-타이 엔겐
시몬 후이
공다 야오
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

본 발명은 외부적으로 기판을 바이어싱할 필요없이 플라즈마에서 증착 재료를 이온화하여 증착 기판상에 이온화된 증착 재료를 가속시키는 재료 증착 시스템에 관한 것이다. 부가적으로, 기판 온도 제어 목적을 위한 증착 기판의 후면에 대한 가스이 역류 제공의 필요가 제거된다. 예시적 실시예에서, 기판은 기판의 전면 증착면을 구속하거나 클램핑하지 않는 받침대상에 지지된다. 결과적으로, 기판의 전면 표면부는 기판 전면의 전체 표면이 증착 재료로 증착될 수 있도록 클램핑 매터니즘에 의해 커버되지 않는다. 더욱이 이온화된 증착 재료의 결정학적 특정은 기판이 바이어스를 자체 발생시키도록 함으로써 개선될 수 있다.

Description

전면 고밀도 플라즈마 증착 제공 방법 및 그 장치
본 내용은 요부공개 건이므로 전문내용을 수록하지 않았음
본 발명은 스퍼터링 증착에 관한 것으로서, 특히 반도체 소자의 제조에서 재료층의 스퍼터링 증착 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
저압 무선 주파수(RF : radio frequency) 발생된 플라즈마는 표면 취급, 증착, 에징 처리를 포함하는 다양한 반도체 소자 제조 방법에서 사용될 수 있는 간편한 에너지 이온의 소스가 되었다. 예를 들면, 스퍼터링 증착 처리를 사용하여 반도체 웨이퍼 상에 재료를 증착하기 위해, 플라즈마는 음적으로 바이어싱되는 스퍼터링 타겟재료에 근접하여 형성된다. 플라즈마내에 형성된 이온은 타겟으로부터 스퍼터링 재료를 이동시키도록 타겟표면에 충돌한다. 다음에 스퍼터링된 재료는 이송되어 반도체 웨이퍼의 표면상에 증착된다.
스퍼터링된 재료는 기판 표면에 수직으로 증착되려고 기판에 대해 타겟으로부터 직선 경로로 이동하려는 경향을 가진다. 결론적으로, 재료는 증착층내에 바람직하지않은 보이드 또는 공동을 초래하여 교락할 수 있는 높은 깊이 대 폭 종횡비를 가진 반도체 소자의 에칭된 트렌치와 홀내에 증착된다. 이런 공동을 방지하여 위하여, 스퍼터링된 재료는 실질적으로 스퍼터링 재료가 플라즈마에 의해 충분히 이온화된다면 기판에 인접한 적당한 수직 방향 전계의 위치에 대해 기판을 움직으로 차아징하으로써 타겟과 기판 사이의 수직 경로내에 향하게 될 수 있다. 그러나, 저밀도 플라즈마에 의해 스퍼터링된 재료는 종종 통상 과도한 수의 공동 형성을 불충분하게 방지하는 1% 미만의 이온화 정도를 가진다. 따라서, 증착증내의 원치않는 보이드 형성 정도를 감소시키기 위해 스퍼터링된 재료의 1% 이상의 레벨까지 스퍼터링된 재료의 이온화 비율을 증가시키도록 플라즈마의 밀도를 증가시키는 것이 바람직하다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 상기 용어 고밀도 플라즈마는 높은 전자 및 이온 밀도를 가지는 것으로 참조하려 한다.
정전 결합, 유도 결합 및 파동 가열을 포함하는 RF 계를 사용하여 플라즈마를 여기하기 위한 수개의 공지된 기술이 있다. 표준 유도 결합된 플라즈마(ICP : inductively coupled plasma) 발생기에서, 플라즈마를 둘러싸는 코일을 통해 흐르는 RF 전류는 플라즈마의 전자기 전류를 포함한다. 이런 전류는 오믹 가열에 의해 도전하는 플라즈마를 가열하고, 그 결과 플라즈마는 안정된 상태에 유지된다. 미국 특허 제4,362,632호에 도시된 바와 같이, RF 발생기에 의해 공급된 코일을 흐르는 전류는 임피던스 정합 네트워크를 통해 코일에 결합되어 코일은 변압기의 제 1 권선으로서 기능한다. 플라즈마는 변압기의 단일 턴(turn) 제 2 권선으로서 기능한다.
기판을 바이어싱하기 위하여, 기판에 대한 양호한 전기 콘택을 형성하는 것은 중요하다. 이것은 전형적으로 기판의 외부 주변을 둘러싸서 구속시키는 도전 금속 클램프 링을 사용하여 기판을 클램핑함으로써 달성한다. 또한 이런 클램프 링은 제자리에 기판을 홀딩한다. 온도 제어의 목적을 위해 기판의 하부에 제공된 가스의 역류는 기판이 견고하게 제자리에 클램핑되지 않는다면 기판을 이동시킬 수 있다. 그러나, 클램프 링이 전형적으로 기판 표면의 외부 부분을 커버하기 때문에, 증착 금속에 의한 전면 커버리지는 유도 결합된 무선 주파수(RFI : idnuctively coupled radio frequncy) 고밀도 플라즈마 스퍼터링 장치로 달성되지 않는다. 결과적으로, 웨이퍼의 유효한 영역이 낭비된다.
본 발명의 목적은 이온화된 증착 재료 증착을 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것으로서, 특히 상당히 덜 복잡한 전기 및 기계적 장치에 관한 것이다.
제1도는 본 발명의 한 실시예에 따른 유도 결합된 무선 주파수 고밀도 플라즈마 이온화된 재료 증착 시스템의 개략도.
제2도는 도 1의 시스템에 대한 기판 지지용 받침대의 개략적 단면도.
제3도는 도 1의 시스템에 대한 플라즈마와 기판 사이의 외장에 의해 제공된 전압 강하와 관련 이온 방향 전환 전게의 개략도.
제4도는 외부적으로 바이어싱도니 기판상의 RF1 고밀도 플라즈마 증착을 사용하는 바이어스의 하부 커버리지와 외부적으로 바이어싱되지않는 기판상의 RF1 고밀도 플라즈마 증착을 사용하는 바이어스의 하부 커버리지를 비교하는 표를 나타내느 도면.
제5도는 기판이 RFⅠ 고밀도 플라즈마 증착동안 바이어싱되지 않는 여러 가지 재료로 증착된 기판의 온도 사승을 도시하는 그래프.
제6도는 증착 이전의 티타늄의 RFⅠ플라즈마 이온화없이 기판상에 증착된 티타늄층의 결정 방향을 도시하는 x-레이 회절 테이터의 그래프.
제7도는 하나의 기판이 외부적으로 바이어싱되고 다른하나의 기판이 바이어싱되지 않은, 증착 이전의 티타늄 RFⅠ플라즈마 이온화를 사용하여 기판상에 증착된 2개 티타늄층의 결정 방향을 도시하는 x-레이 회절 데이터의 그래프도.
제8도는 증착 이전에 질화 티타늄의 RFⅠ플라즈마 이온화없이 기판상에 증착된 질화 티타늄층의 결정 방향을 도시하는 x-레이 회절 데이타의 그래프도.
제9도는 하나의 기판이 외부적으로 바이어싱되고 다른 하나의 기판이 바이어싱되지 않은, 증착 이전에 질화 티타늄의 RFⅠ플라즈마 이온화 사용하여 기판상에 증착된 질화 티타늄층의 결정 방향을 도시하는 x-레이 회절 데이터의 그래프도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호이 설명
102 : 진공 챔버 110 : 타겟
112 : 기판 114 : 받침대
상기 목적과 장점은 기판을 외부적으로 바이어싱할 필요없이 플라즈마내에서 증착 재료를 이온화하여 이온화된 증착 재료를 증착 기판상에 가속시키는 재료 증착 시스템으로 달성된다. 부가적으로, 기판 온도 제어의 목적을 위해 증착 기판의 후면에 가스의 역류를 제공할 필요가 또한 제거된다.
예시적 실시예에서, 기판은 기판이 증착 표면을 구속 또는 클램핑하지 않는 받침대상에 지지된다. 결과적으로, 기판의 전면 표면부는 기판 전면의 전체 표면이 증착 재료로 증착될 수 있도록 클램핑 매커니즘에 의해 커버되지 않는다. 부가적으로, 기판이 바이어싱될 필요가 제거되기 때문에 받침대의 디자인은 간단해진다. 더욱이 기판의 후면에 대한 가스의 역류 제거는 고밀도 플라즈마 이온화 증착 재료 시스템에 대한 받침대의 추가 간략화를 허용한다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 고종횡비 비아와 트렌치이 만족스런 스텝 커버리지는 기판의 외부적 바이어싱없이 고밀도 플라즈마 이온화 재료 증착 시스템에서 달성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 대신에, 충분한 전계는 증착 표면에 대해 수직인 경로에 있는 기판상에 이온화된 재료를 증착하기 위하여 기판에 인접한 외장(sheath)을 통해 이온화된 증착 재료를 가속하도록 플라즈마를 둘러싸는 외장내에 발생된다고 믿어진다. 그러므로, 플라즈마 외장에 의해 발생된 전게를 사용함으로써 기판쪽으로 이온화된 재료를 가속할 목적을 위한 전계를 발생하기 위해 표면의 외부적 바이어싱 필요는 제거된다.
본 발명의 다른 특징에서, 기판의 외부 바이어싱을 제거함으로써, 기판상의 이온화된 재료의 증착 결과로서 기판의 임의 온도 상승은 온도 제어의 목적을 위한 기판의 후면에 대한 가스 역류가 제거되더라도 수용가능한 한계내에 있다고 인식된다. 기판의 외부 바이어싱과 기판의 역류 온도 제어 둘다를 제공하으로써, 기판의 클램핑이 제거될 수 있고, 그 결과 전술된 바와 같이 기판의 전면 증착 커버리지와 받칟대의 간략화를 허용한다. 부가적으로, 이런 장치는 잠재적으로 클램핑 링의 제거에 기인하는 미립자를 감소할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에서, 고밀도 플라즈마 이온화 증착 시스템에서 증착된 여러 가지 재료의 결정학적 특성은 기판의 바이어싱 제거에 의해 개선될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 이온화 증착 재료 시스템에 의해 증착된 티탄늄의 층은 증착 이전에 티타늄을 이온화하지않는 일반적 스터터링 시스템에 의해 증착된 티타늄의 결정 방향과 유사한 결정 방향을 가진다. 특히, 상기 티타늄 층은 티타늄상에 증착된 알루미늄과 같은 금속의 순차적 층의 품질을 개선하는 것으로 믿어지는 (002)가 되는 결정 방향을 갖는다.
다른 실시예에서, 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 이온화 증착 재료 시스템에 의해 증착된 질화 티타늄은 증착이전에 질화 티타늄을 이온화하지 않는 일반적 스퍼터링 시스템에 의해 증착된 질화 티타늄으 결정 방향에 유사한 결정 방향을 가진다. 특히, 상기 질화 티타늄은 실질적으로 (200)와 (111)가 되는 결정 방향을 가진다. 질화 티타늄의 (200) 방향은 질화 티타늄의 저항성과 장벽 특성을 개선하는 것으로 믿어진다. (111)의 방향은 질화 티타늄상에 증착된 알루미늄의 전자 이동 특성을 개선하는 것으로 믿어지는 증가된 (111) 방향을 가지는 알루미늄과 같은 금속의 중첩층에 영향을 미치는 것으로 믿어진다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더 상세히 기술할 것이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 RFⅠ 고밀도 플라즈마 이온화된 재료 증착 시스템이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 시스템(100)은 챔버(102)의 내부 압력이 매우 낮은 레벨까지 펌핑될 수 있도록 하는 진공 챔버(102)를 포함한다. 이런 실시예에서 상기 증착 시스템(100)은 증착 시스템(100)의 내부에 증착되는 재료로부터 진공 챔버(102)의 내부벽을 보호하는 시일드(도시 안됨)에 의해 내부적으로 적재되는 단일 턴 코일(104)을 가진다.
RF 발생기(106)로부터의 무선 주파수(RF) 에너지는 증착 시스템(100)내의 플라즈마를 에너지화하는 상기 코일(104)로부터 증착 시스템(100)의 내부로 방사된다. 상기 에너지화된 플라즈마는 상기 챔버(102)의 상부에 위치된 음적으로 바이어싱된 타겟(110)을 때리는 플라즈마 이온 자속을 생성한다. 상기 타겟(110)은 DC 전력 소스(111)에 의해 음적으로 바이어싱된다. 상기 플라즈마 이온은 타겟(110)으로부터 증착 시스템(100)의 하부에서 받침대(114)와 같은 지지용 부재에 의해 지지되는 웨이퍼 또는 다른 제품이 될 수 있는 기판(112)상에 재료를 배출한다. 상기 타겟(110)상에 제공된 회전 자석 에셈블리(116)는 타겟의 균일한 부식을 증진하도록 상기 타겟(110)의 표면상에서 스위핑하는 자계를 생성한다.
바람직하게 상기 타겟(110)으로부터 배출되는 재료 원자의 1% 이상은 차례로 상기 플라즈마에 유도적으로 결합되는 코일(104)에 의해 에너지화되는 플라즈마에 의해 이온화된다. 상기 RF 발생기(106)는 바람직하게 증폭기와 임피던스 정합 네트워크(118)를 통해 상기 코일(104)에 결합된다. 상기 코일(104)의 다른 단부는 가변 캐패시터가 될 수 있는 캐패시터(120)를 통해 접지에 결합된다.
이하에서 더 상세히 설명된 바와 같이, 본 발명의 하나의 특징에 따르면 상기 기판(112)은 바람직하게 이온화된 증착 재료를 기판으로 유인하기 위해 외부 소스에 의해 음적으로 바이어싱되지 않는다. 대신에, 플라즈마와 기판 사이의 외장(접지 또는 전기적 부유 지지용 부재상에 배치된)에 걸쳐 나타난다고 믿어지는 자연적 발생 전압 강하는 횡방향으로 기판을 향해 이온화된 증착 재료가 상기 기판 표면을 향하도록 반드시 생성할 것이다. 고종횡비를 가지는 비아와 채널의 매우 만족스런 스텝 커버리지는 기판에 부가된 외부 비아가 없음에도 불구하고 달성된다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 다른 특징에서, 상기 기판(112)의 후면(또는 밑면)에 대해 가스 흐름 제공에 의한 기판의 온도 제어는 증착층 또는 하부층 구조에 역효과를 미치지 않고 피할 수 있다. 결론적으로, 아래에서 더 상세히 설명된 바와 같이 유도 결합된 괼도 플라즈마 이온화 재료 증착 시스템에서 받침대의 구성은 상당히 간략화될 수 있다. 부가적으로, 상기 기판의 전면 커버리지가 쉽게 달성될 수 있다.
도 2는 상기 받침대의 전위가 부동되도록 챔버의 임의 접지되거나 외부적으로 바이어싱된 구조로부터 바람직하게 전기적으로 절연되는 상기 받침대(114)의 개략적 단면도를 도시한다. 또한 상기 기판(112)이 외부적으로 바이어싱되지 않기 때문에, 기판에 대해 양호한 콘택을 제공할 필요는 제거된다. 결론적으로, 기판에 대해 전기적 콘택을 형성하기 위한 클램프 링과 다른 디바이스는 제거될 수 있고, 그결과 도 2에 도시된 바와 같이 실질적으로 RFI 고밀도 플라즈마 이온화 재료 증착 시스템을 위한 상기 받침대(114)의 디자인을 간략화시킨다. 상기 받침대(114)는 상기 받침대를 통하여 상기 기판(112)이 밑변(124)으로 통과하는 역류 가스 채널없어 추가로 상기 받침대(114)의 간략화를 허용한다는 것에 주의하라, 그러나, 채널은 롯봇 손(도시안됨)에 의한 픽업이 용이하도록 처리에 수반하여 상기 받침대(114)에서 멀리 가판(112)을 리프팅하도록 픽업 핀이 통과를 허용하게 제공될 수 있다(도시안됨).
상기 받침대(114)와 상기 기판(112) 사이의 전기 및 열적 결함을 감소시키기 위해, 상기 받침대의 1차 상부 표면(132)으로부터 소정 거리에 배치된 기판을 지지하도록 도 2에 도시된 바와 같은 반구체 형태의 돔을 제공하는 것이 다소의 적용에 바람직할 수 있다. 예시적 실시예에서, 상기 딤플(dimple)(130)은 2-6 밀리미터의 높이가 충분하더라도 8 인치 직경 웨이퍼를 지지하기 위해 대략 0.125 인치의 높이를 가진다. 상기 지지용 부재(114)가 받침대로서 기술되더라도, 상기 지지용 부재는 척과 지지요 테이블을 포함하여 기판을 지지할 수 있는 임의의 다양한 구조가 될 수 있다.
도 3를 참조하면 일부의 에너지화된 플라즈마는 일반적으로 200으로 표시된 바와 같이 도시적으로 표면된다. 상기 플라즈마(200)의 전위를 정확하게 측정하기는 어렵지만, 반도체 제조 챔버의 전형적 RFI 고밀도 플라즈마에서 상기 플라즈마(200)의 전위는 댜략 25 볼트이다. 플라즈마의 에지에서 외부 영역(202)은 통상 외장으로 참조된다. 상기 플라즈마가 전형적으로 양전위를 나타내기 때문에, 상기 외장(202)은 전형적으로 도 3에 나타낸 바와 같이 외장 영역에 걸쳐, 특히 접지되는 챔버의 이런 부분에 인접하게 전위 강하를 나타낸다. 기판(112)이 외부적으로 바이어싱 또는 접지되지 않는다면, 기판은 대략 3 볼트의 레벨로 자기 바이어싱된다느 것을 알 수 있다. 그러므로, 상기 외장(202)에 걸친 상기 플라즈마(200)로부터 기판(112)까지의 전압 강하느 30 볼트 이상의 등급상에 있게 될 수 있다. 이런 전압 강하는 도 3에서 전계 라인(204)에 의해 표현된 바와 같이 기판(112)의 표면에 수직하게 방향이 결정된다고 믿어지는 전계와 관련된다. 이런 전게는 상기 기판(112)에 대한 임의 외부 바이어싱의 필요없이 상기 외장(202)에 의해 자연적으로 발생된다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 기판에 인접한 외장에서 자연적으로 발생하는 이런 전계는 충분히 강하여 굉장히 만족스런 스텝 커버리지의 비아와 다른 수직 구조를 달성하기위해 이온화된 증착 재료의 방향 수정에 적절한 방향으로 된다. 도 4는 외부적으로 바이어싱된 기판상의 RFI 고밀도 플라즈마 증착을 사용하는 바이어스의 하부 커버리지와 외부적으로 바이어싱되지않는 기판상의 RFI 고밀도 플라즈마 증착을 사용하는 바이어스의 하부 커버리지를 비교하는 표를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 3:1 종횡비를 가지느 0.5 미크론 비아상의 얻어진 하부 커버리지는 실질적으로 기판의 외부적 바이어싱 여부에 관계없이 동일하다. 결론적으로, RFI 고밀도 플라즈마 스퍼터링 동안 상기 기판의 외부 바이어싱은 제거될 수 있어 많은 응용에서 기판에 외부 바이어스를 인가하기 위해 기판을 클램핑할 필요를 제거한다. 결과적으로, 증착 재료에 의한 상기 기판(112)의 전체 상부 표면(134)의 전면 커버리지는 고종횡비 비아와 채널을 가지는 기판일지라도 쉽게 달성될 수 있다. 상기 받침대(114)는 전기적으로 절연되고 기판(112)은 전기적으로 자유 부동되는 것이 바람직하더라도, 다소의 응용에서 상기 받침대(114) 또는 상기 기판(112)은 접지되거나 작은 바이어스가 인가될 수 있는데, 여전히 상기 예시적 실시예의 많은 장점을 달성할 수 있다고 기대된다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 상기 기판의 밑면에 대한 가스의 역류는 특히 기판이 외부적으로 바이어싱 되지 않는 많은 RFI 고밀도 플라즈마 스퍼터링 증착동안 제거될 수 있다. 증착 동안 기판의 밑면에 대한 아르곤과 같은 가스의 역류는 기판의 온도 제어를 위한 공통 기술이다. 상기 기판에 대한 바이어스 인가에 부가하여 클램프 링의 다른 기능은 증착동안 가스 역류가 기판을 제거하지 못하도록 제자리에 기판을 고정하는 것이다. 이온화된 재료가 기판에 충돌할 때, 기판의 온도는 상승한다. 기판이 크램프 링을 통해 외부적으로 바이어싱되는 RFI 고밀도 플라즈마 증착에서, 아르곤 가스으 역류는 기판으로부터 지지대까지의 열전달 경로를 제공함으로써 이런 온도 상을 보상하는데 사용될 수 있다.
도 5는 재료가 웨이퍼의 바이어싱없이, 제자리에 웨이퍼를 클램핑하거나 기판의 밑면에 대한 가스 역류 인가없이 웨이퍼상에 증착될 때 다양한 때의 수개 웨이퍼의 온도를 도시한다. 상기 웨이퍼의 온도는 비콘택 측정 기술에 의해 측정된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 질화 티타늄의 증착동안 상기 웨이퍼 온도는 증착 두께가 20 A으로로부터 1,000 A으로 증가될 때 180℃로부터 328℃로 증가된다. 이런 온도 상승은 수용 가능한 범위내에 있다. 다소의 응용에서 상기 웨이퍼의 온도는 증착동안 얻어진 소자의 악영향을 끼치지 않도록 약 340-400 ℃ 이상으로 상승하지 않아야 한다. 더욱이 많은 응용은 1000 A 보다는 단지 600 A의 증착을 요구한다. 이런 응용을 위해, 상기 온도는 도 5에 도시된 바와 같이 340 ℃ 이하의 레벨가지 상승할 것이다. 티타늄의 100 A 의 증착에 수반하는 웨이퍼 온도는 250 ℃이하로 균일하게 낮다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 온도는 코일에 대한 RF 전력이 1.5 kW로 유지될 때 3 내지 7 kW의 타겟에 대한 DC 전력이 변화됨에도 불구하고 TiN의 1000 A의 증착에 수반하여 350 ℃와 Ti의 1,000 A에 대해 250 ℃이하로 유지된다. 그러므로, 수용가능 웨이퍼 온도를 위한 처리 창은 기판의 외부 바이어싱이 회피되는 경우 아르곤 가스의 역류가 제거될대 조차 상당히 폭넓게 나타날 것이다. 그러므로, 온도 제어를 위한 가스의 역류가 제거된다면, 역류 온도 제어 동안 제자리에 기판을 고정할 목적의 기판 클램핑은 마찬가지로 제거될 수 있다. 결론적으로, 비아와 채널상의 증착 금속의 전면 커버리지는 기판의 클램핑 제거에 의해 달성될 수 있다.
증착 재료로부터 웨이퍼 에지에 인접한 웨이퍼 영역의 차단에 부가적으로, 웨이퍼의 클램핑은 다른 단점을 가진다. 많은 반도체 제조 처리에서, 텅스턴의 층은 종종 화학 기상 증착에 이해 질화 티타늄의 하부층 상에 증착된다. 화학 기상 증착은 전형적으로 기판의 클램핑을 요구하지 않는다. 그러므로, 기판이 질화 티타늄 증착동안 클램핑되고 순차적 텅스턴 증착동안 클램핑되지 않는다면 텅스턴은 종종 질화 티타늄 증착에 의한 전면 커버리지를 방해하는 클램핑 링에 의해 노출된 나머지 산화물의 링 상에 증착될 수 있다. 텅스턴은 전형적으로 산화물에 접착되지 않고 질화 티타늄에 접착된다. 그러므로, 텅스턴은 이전의 증착에 의해 커버되지 않은 산화물의 링으로부터 단편화될 수 있다. 그결과 미립자가 웨이퍼를 오염시킬 수 있다. 그러나, 질화 티타늄 또는 다른 하부 금속층이 기판이 클램핑되지 않는 본 발명에 따른 RFI 고밀도 플라즈마 증착에 증착된다면, 기판의 전면 커버리지가 달성된다. 그결과 텅스턴이 에지를 포함하는 기판의 전체 표면상에 질화 티타늄의 하부층에 결합할 수 있기 때문에 웨이퍼의 이용을 증가시키고 미립자의 발생을 감소시킨다. 본 발명의 또다른 특징에 따르면, RFI 고밀도 플라즈마 증착에 의해 증착된 여러 가지 재료의 결정학적 특성은 기판이 증착동안 외부 바이어스를 인가하기 보다는 자기 바이어스를 허용함으로써 실질적으로 개선될 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, RFI 고밀도 플라즈마 이온화 증착동안 자기 바이어싱된 기판상에 증착될 때 티타늄의 결정 방향은 실질적으로 (002)을 향하는 결정 방향을 나타낸다고 믿어진다. 또한 (002) 방향의 하부 티타늄층상에 증착될 때의 알루미늄은 개선된 품질을 가진다고 믿어진다.
도 6은 타겟으로부터 증착 재료를 이온화하기 위해 플라즈마내에 RF 에너지를 유도적으로 결합하기 위한 코일을 사용하지 않는 일반적 물리 기상증착 챔버에서 증착된 티타늄막의 결정 방향을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이런 방법으로 형성된 상기 막의 x-레이 회절은 티타늄막이 주로 (002) 결정 방향으로 향한다는 것을 나타낸다. 전술된 바와 같이, 티타늄 막의 결정 방향은 티타늄상에 순차적으로 증착되는 알루미늄막의 양호한 품질을 증진시키다고 믿어진다.
비교에 의해, 도 7은 RFI 고밀도 플라즈마 증착 챔버에서 증착된 2개 티타늄 막의 결정 방향을 나타낸다. 그러나, 데이터 라인(300)에 의해 표시된 바와 같이 한티타늄 막은 상기 기판에 150 와트의 전력에서 대략 -30볼트의 전압으로 인가된 클램프 링을 통해 외부적으로 바이어싱되는 기판사에 증착된다. 데이터 라인(302)에 의해 표시된 바와 같이 다른 티타늄 막은 기판에 외부 바이어스를 가지지 않은 본 발명에 따른 RFI 챔버에서 증착된다. 대신에, 기판은 클램핑 링에 의해 클램핑되고 부동 전위로 받침대에 의해 지지된다. 결론적으로, 기판 자기 발생된 DC 바이어스는 댜략 -3 볼트로 측정된다.(둘다의 막은 티타늄 타겟에 5 kW DC 전력을 인가하고, 코일에 1.5 kW RF 전력을 인가하고 30 밀리토르 압력을 달성하기 위해 아르곤 흐름을 제공함으로써 증착된다.)
도 7에 도시된 바와 같이, 데이터(300)에 의해 표시되는 막은 외부적으로 바이어싱된 기판상에 증착되며, 데이터 피크가 (002)가 결정 방향에 대응하는 막은 나타나지 않는다. 대신에, 이런 막은 2가지 주요 결정 방향, (010)과 (011)를 가짐에 틀림없다. 대조적으로, 도 7의 데이터(302)에 의해 나타낸 막은 자기 바이어싱된 기판상에 증착되고 실질적으로 도 6에 도시된 바와 같은 비 RFI 챔버에서 증착된 막, 즉 결정 방향이 주로 (002) 방향이 되는 막과 동이한 결정 방향을 가짐에 틀림없다. 이미 전술된 바와 같이, 티타늄 막의 결정 방향은 순차적으로 증착된 중첩 알루미늄 막의 질을 개선시킬 수 있다고 믿어진다.
유사한 방식으로, 본 발명에 따른 RFI 고밀도 플라즈마 증착 동안 외부적으로 바이어싱되지 않는 기판상에 증착된 질화 티타늄의 결정 특성은 개성될 수 있다고 믿어진다. 도 8은 타겟으로부터 증착 재료를 이온화하기 위해 플라즈마내에 RF 에너지를 유도적으로 결합하는 코일을 사용하지 않는일반적 물리 기상 종착 챔버에서 증착된 질화 티타늄 막의 결정 방향을 표현하는 데이터를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 막의 x-레이 회절은 질화 티타늄 말의 결정 방향이 (111) 결정 방향의 주요 방향을 가진다는 것을 나타내는 방식으로 형성된다. 또한 여기에서, 질화 티타늄으 결정 방향은 질화 티타늄상에 순차적으로 증착된 알루미늄 막의 양호한 품질을 증착시킨다고 믿어진다. 예를 들면, 일반적으로 질화 티타늄의 (111) 방향이 유사하게 (111) 방향을 가지도록 알루미늄의 순차적으로 증착된 중첩 막에 영향을 끼친다고 믿어진다. 이런 알루미늄 막은 개선된 전자 이동 특성을 가질 것이다.
비교에 의해, 도 9는 RFI 고밀도 플라즈마 증착 챔버에서 증착되는 2가지 질화 티타늄의 결정 방향을 표현하는 데이터를 도시한다. 그러나, 데이터 라인(400)에 의해 표현되는 1개의 질화 티타늄은 90 와트의 전력에서 대략 -30볼트의 전압으로 기판에 인가된 클램프 링을 통해 오부적으로 바이어싱되는 기판상에 증착된다. 데이터 라인(402)에 의해 표시도니 바와 같은 다른 티타늄 막은 외부 바이어스를 가지지 않은 본 발명에 따른 RFI 챔버에서 기판상에 증착된다. 대신에, 기판은 클램핑 링에 의해 클램핑되고 부동 전위에서 받침대에 의해 지지된다. 그결과 자기 발생된 DC 바이어스는 대략 -6 볼트로 측정된다.(둘다의 막은 티타늄 타겟에 5 kW DC 전력을 인가하고, 코일에 1.5 kW RF 전력을 인가하고 30 밀리톨르 압력을 달성하기 우해 아르곤과 질소 흐름(티타늄의 질화를 위해)을 제공함으로써 증착된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 데이터(400)에 의해 표시되는 막은 외부적으로 바이어싱된 기판상에 증착되며, 데이터 피크가 (002)가 결정 방향에 대응하는 막은 나타나지 않는다. 대신에, 이런 막은 두드러진 결정 방향없이 나타난다. 대조적으로, 도 9의 데이터(402)에 의해 나타낸 막은 자기 바이어싱된 기판상에 증착되고 실질적으로 도 8에 도시된 바와 같이 비 RFI 챔버에서 증착된 막, 즉 결정 방향이 주로 (111) 방향이 되는 막과 동일한 결정 방향을 가짐에 틀림없다. 이미 전술된 바와 같이, 상기 질화 티타늄 막의 결정 방향은 순차적으로 증착된 중첩 알루미늄 막의 질을 개선시킬 수 있다고 믿어진다. 더욱이, 데이터(402)에 의해 표현된 바와 같이 상기 질화 티타늄 막은 다른 결정 방향 및 (200) 방향이 우세한 결정 방향이 나타난다. 이런 방향은 질화 티타늄의 저항성을 (더낮게) 개선시킬 수 있고 알루미늄 학산에 대한 그것의 장벽 특성을 증진시킨다고 믿어진다.
그러므로, 기판의 외부 바이어싱을 제거함으로써 얻어진 증착 막은 RFI 고밀도 플라즈마 증착동안 개선될 수 있다. 상기 막은 비 RFI 플라즈마 이온화 증착으로 증착되고, 여전히 동시에 실질적으로 RFI 고밀도 플라즈마 증착에서 기판을 바이어싱함으로써 이전에 얻어진 고종횡비 비아와 채널상의 개선된 스텝 커버리지를 계속 유지하는 이런 막의 바람직한 특성을 계속 유지할 수 있다. 고에너지 증착 이온에 의한 상기 막의 충격은 얻어지는 막에 악영향을 미칠 수 있다고 믿어진다. 본 발명에 따르면, 상기 충격 이온의 에너지 레벨은 기판이 자기 바이어싱으로 달성되는 것 이상의 음전압으로 기판을 외부적으로 바이어싱하기 보다는 기판이 바이어스를 자기 발생하도록 함으로써 실질적으로 감소된다. 상기 감소된 이온 에너지 레벨은 상기 얻어진 막이 비 RFI 스퍼터링 방법으로 증착되는 막을 더욱 근접하게 닮도록 상기 막에 대한 악영향을 감소시킨다고 믿어진다. 부가적으로, 이온 충격 동안 기판의 온도 상승은 개선된다. 그러나, 기판의 감소된 바이어스 레벨에도 불구하고 만족스런 스텝 커버리지는 기판에 더욱 수직한 방향으로 이온화된 증착 재료의 방향 을 조정하도록 기판에 인접한 플라즈마 외장에 걸쳐 전압 강하를 사용함으로써 달성될 수 있다.
상기 증착 시스템(100)은 바람직하게 플라즈마 발생용 리세스 코일로 명명된 대응 출원 일련번호 제 08/647,182호와 플라즈마 발생 및 스퍼터링용 코일로 명명된 출원 일련번호 제08/644,096호에 더욱 상세히 개시된 바와 같이 PVD(물리 기상 증착) 시스템에 설치된다.
이미 개시된 각각의 실시예는 플라즈마 챔버내의 단일 코일로 사용된다. 본 발명은 하나 이상의 RF 전력 코일을 가지는 플라즈마 챔버에 적용가능하다고 인식될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 대응 출원 일련 번호 제08/59,345호에 개시된 타입의 헬리콘파를 가하기 위한 다중 코일 챔버에 부가될 수 있다.
적절한 RF 발생기와 매치 회로는 종래 기술에 공지된 성분이다. 예를 들면, RF 발생기, 정합 회로 및 안테나와 정합하는 최상의 주파수를 위한 주파수 헌트 능력을 가지느 ENI Genesis 시리즈가 적당하다. 상기 코일(104)에 대해 RF 전력을 발생하기 위한 발생기의 주파수는 바람직하게 2 MHz이지만 예를 들어 범우가 1 MHz 내지 100 MHz까지 변화할 수 있다고 기대된다. 1.5 kW의 RF 전력 설정이 바람직하지만 5-6 kW의 범위이면 충분하다. 부가적을, 타겟을 바이어싱하기 위한 5 kW의 DC 전력 설정이 바람직하지만 1-8 kW의 범위이면 충분하다.
다양한 선구 물질(precursor) 가스는 Ar, H2또는 NF3, CF4와 같은 반응 가스 및 기타를 포함하여 플라즈마를 발생하는데 사용될 수 있다. 여러가지 선구 물질 가스 압력은 0.1 - 50 밀리토르(mTorr)의 압력을 포함하는 것이 적당하다. 이온화된 PVD를 위해, 10과 100 밀리토르 사이의 압력이 스퍼터링된 재료의 최상 이온화를 위해 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 양호한 일 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.
기판을 외부적으로 바이어싱할 필요없이 플라즈마내에서 증착 재료를 이온화하여 이온화된 증착 재료를 증착 기판상에 가속시키는 재료 증착 시스템에 의해 기판 온도 제어의 목적을 위한 증착 기판의 후면의 가스 역류를 제공할 필요가 없고, 특히 상당히 덜 복잡한 전기 및 기계적 장치를 제공한다.

Claims (23)

  1. 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법에 있어서, RF 에너지로 플라즈마를 에너지화하는 단계; 타겟으로부터 이온을 스퍼터링하는 단계; 상기 스퍼터링된 이온의 적어도 1% 이상을 이온화하는 단계; 미 전기적 부동 기판의 상기 전체 상부 표면상에 상기 이온화된 원자를 증착하는 단게를 포함하는 것을 특징으로 한는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은, 상기 기판이 그것의 전위를 자기 발생하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판상에 증착된 얻어진 재료는 지배적으로 (002)가 되는 결정 방향을 가지는 티타늄인 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판상에 증착된 얻어진 재료는 지배적으로 (200)와 (111)가 되는 결정 방향을 가지는 질화 티타늄인 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 코일로부터 RF 에너지로 에너지화도는 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  6. 기판상의 재료 증착 방법에 있어서, RF 에너지로 플라즈마를 에너지화하는 단계; 타겟으로부터 원자를 스퍼터링하는 단계; 상기 기판이 그것의 전위를 자기 발생하도록 하는 단계; 및 상기 기판상에 상기 이온화된 원자를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상이 재료 증착 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판을 지지하는 부재는 자유 부동 전위에 있는 것을 특징으로 하는 기판상의 재료 증착 방법.
  8. 기판상의 재료 증착 방법에 있어서, RF 에너지로 플라즈마를 에너지화하는 단계; 타겟으로부터 티타늄 원자르 스퍼터링하는 단계; 상기 스퍼터링된 티타늄 원자의 1%를 이온화하는 단계; 및 전기적 부동 기판상에 상기 이온화된 원자를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상의 재료 증착 방법.
  9. 상부 표면과 후면을 가지는 기판상에 스퍼터링된 재료를 증착하기 위한 장치에 있어서, 스퍼터링 재료용 타겟을 가지고 플라즈마를 포함하기 위한 스퍼터링 챔버; 상기 스퍼터링된 재료의 적어도 1% 이상을 이온화하기 위해 RF 에너지로 상기 플라즈마를 이온화하도록 배치된 RF 코일; 및 자유 부동 전위에 있는 기판 지지용 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 부재는 단지 상기 기판의 후면을 구속하고 상기 기판의 전체 상부 표면은 이온화 스퍼터링된 재료가 증착되는 것을 특직으로 하는 증착 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 부재는 상부 표면과 상기 부재의 상부 표면상의 소정 거리에 기판을 지지하기 위한 다수의 디플을 가지는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 타겟은 티타늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  13. 기판상의 티타늄 증착 장치에 있어서, 플라즈마, 티타늄 타겟, 및 상기 타겟으로부터 티타늄을 스퍼터링하기 위한 수단을 포함하는 스퍼터링 챔버; 상기 스퍼터링된 티타늄 원자를 이온화하기 위해 RF 에너지로 상기 플라즈마를 에너지화하기 위한 RF 코일 수단; 및 지배적으로 (002)가 되는 결정 방향을 가지는 티타늄 막을 형성하기 위해 상기 기판상에 상기 이온화된 티타늄을 증착하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상의 티타늄 막 증착 장치.
  14. 기판상의 질화 티타늄 증착 장치에 있어서, 플라즈마를 포함하는 스퍼터링 챔버; 상기 챔버내에 질화 티타늄의 소스를 제공하기 위한 수단; 사이 질화 티타늄을 이온화하기 위해 RF 에너지로 상기 플라즈마를 에너지화하기 위한 RF 코일 수단; 및 지배적으로 (200)와 (111)가 되는 결정 방향을 가지는 질화 티타늄막을 형성하기 위해 상기 기판상에 상기 이온화된 질화 티타늄을 증착하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상의 질화 티타늄 막 증착 장치.
  15. 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법에 있어서, RF 에너지로 플라즈마를 에너지화하는 단계; 타겟으로부터 원자를 스퍼터링하는 단계; 상기 스퍼터링된 원자의 적어도 1% 이상을 이온화하는 단계; 및 접지된 부재에 의해 지지되는 상기 기판의 전체 상부 표면 상에 상기 이온화된 원자를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기판 상에 증착된 얻어진 재료는 지배적으로 (002)가 되는 결정 방향을 가지는 티타늄인 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 기판 상에 증착된 얻어진 재료는 지배적으로 (200)와 (111)가 되는 결정 방향을 가지는 질화 티타늄인 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 플라즈마는 코일로부터 RF 에너지로 에너지화 되는 것을 특징으로 하는 상부 표면을 가지는 기판상의 재료 증착 방법.
  19. 기판상의 재료는 증착 방법에 있어서, RF 에너지로 플라즈마를 에너지화하는 단계; 타겟으로부터 티타늄원자를 스퍼터링하는 단계; 상기 스퍼터링된 티타늄 원자의 1%를 이온화하는 단계; 및 접지된 부재에 의해 지지된 기판상에 상기 이온화된 원자를 증착하는 단게를 포함하는 기판상의 재료 증착 방법.
  20. 상부 표면과 후면을 가지는 기판상에 스퍼터링된 재료를 증착하기 우한 장치에 있어서, 플라즈마와 재료가 스퍼터링되는 타겟을 포함하는 스퍼터링 챔버; 상기 스퍼터링된 재료의 적어도 1% 이상을 이온화하기 위해 RF 에너지로 상기 플라즈마를 에너지화하도록 배치된 RF 코일; 및 기판을 지지하기 위한 부재를 포함하며, 상기 부재는 접지되는 것을 특징으로 하는 기판상의 스퍼터링된 재료 증착 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 부재는 단지 상기 기판의 후면을 구속하고 상기 기판의 전체 상부 표면은 이온화 스퍼터링된 재료가 증착되는 것을 특징으로 하는 기판상의 스퍼터링된 재료 증착 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 부재는 상부 표면과 상기 부재의 상부 표면상의 소정 거리에 상기 기판을 지지하기 위한 다수의 딤플을 가지는 것을 특징으로하는 기판상으 스퍼터링된 재료 증착 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 타겟은 티타늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판상의 스퍼터링된 재료 증착 장치.
    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.
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